摘要：传统制造中，碳被视为有害杂质（含量需
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2025年09月02日 06:04北京 长三角G60激光联盟陈长军转载
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主要作者：Shidong Wang，Hao Chen*
第一单位：清华大学
发表期刊：Acta Materialia
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121455
1.传统马氏体时效钢的碳限制困境
传统制造中，碳被视为有害杂质（含量需L-PBF工艺的变革潜力：激光粉末床熔融（L-PBF）的快速冷却特性（微米熔池冷却速率达10⁵–10⁷ K/s）可抑制粗大TiC析出，为碳元素利用提供新途径。Fig. 1. The utilized powders and evaluation of fabrication quality for the as-built sample.
2.高碳马氏体时效钢的设计动机
通过预合金粉末（成分对标18Ni300但碳含量增至0.07 wt.%），探索L-PBF下碳的强化机制。核心科学问题：L-PBF能否抑制粗大TiC并形成纳米碳化物？碳杂质如何协同传统Ni₃Ti/Mo析出相提升强度？Fig. 2. Mechanical properties of the L-PBF maraging steel containing carbon-impurity.
1.材料制备与热处理
L-PBF工艺：采用150W激光功率、800 mm/s扫描速度，氩气保护（氧浓度后处理：深冷处理（-196°C, 2h）减少残余奥氏体；时效处理（450–510°C, 0.5–5h）优化析出相。Fig. 3. Microstructural characterization of the CT, 480-0.5h and 480-5h samples.
2.多尺度表征技术
显微结构：SEM/EBSD/TKD分析胞状结构；TEM/APT解析纳米析出相（分辨率达原子级）。力学性能：维氏硬度、室温拉伸（应变速率10⁻⁴ s⁻¹）、断裂韧性（KIC）测试。计算模拟：Thermo-Calc相图预测；Scheil-Gulliver模型模拟凝固过程；DICTRA计算碳化物生长动力学。Fig. 4. TKD analysis
1.显微结构演化
沉积态（CT）：(Ti,Mo)C（数十纳米）沿胞壁分布（凝固末期形成）；(Mo,Ti)-富集碳化物（无粗大TiC，形成两类纳米碳化物：时效态（480°C-5h）：Ni₃(Ti,Mo)与Mo富集相共析出，但二者与碳化物无空间关联（图6,9）。奥氏体逆转比例升至10%（图4），分布于胞壁。Fig. 5. STEM characterization of the CT sample.
2.力学性能突破
480°C-5h试样：屈服强度（YS）达2.16 GPa，抗拉强度（UTS）2.22 GPa（图2b），延伸率6%。断裂韧性KIC为31.2–38.6 MPa·m¹/²（优于同强度L-PBF 18Ni350钢）。强化机制：纳米碳化物贡献额外60 MPa强度（Orowan绕过机制），协同Ni₃(Ti,Mo)析出实现超强化。Fig. 6. TEM characterization of cell walls in the 480-5h sample.
3.碳化物形成机制
(Ti,Mo)C：凝固末期液态偏析驱动（图13），尺寸~25 nm（DICTRA模拟与APT一致，图14）。(Mo,Ti)-富集碳化物：后凝固阶段位错线富集C/Mo/Ti，异质形核（图7,9）。Fig. 7. TEM characterization of the nanoprecipitates distributed within martensitic matrix of the 480-5h sample.
结论1.碳杂质“变害为益”
L-PBF快速冷却抑制粗大TiC，转而形成强化型纳米碳化物，突破传统合金设计禁忌。高碳马氏体时效钢（0.07 wt.% C）实现2.2 GPa级强度，较传统L-PBF 18Ni300钢强度提升15%（图2c-d）。Fig. 8. APT analysis of the CT sample.
2.工艺-结构-性能关联
凝固动力学（冷却速率>10⁵ K/s）控制碳化物尺寸分布；时效制度（480°C-5h）优化析出相协同强化，兼顾强度-韧性平衡。Fig. 9. APT analysis of the 480-0.5h sample.
深度洞察1.工业应用潜力
低成本高性能：放宽碳含量限制（免高纯原料），降低预合金粉末成本；航空航天部件：适用于轻量化高承载结构（如火箭喷嘴、仿生植入体）。Fig. 10. Precipitation behavior
2.未解挑战
界面缺陷控制：金属多材料界面微孔/裂纹（图14）需梯度插值模型优化；长周期稳定性：高温服役下纳米碳化物粗化行为未明；疲劳性能缺口：超强钢的疲劳裂纹扩展机制亟待研究（文献42）。Fig. 11. APT analysis of the 480-5h sample.
3.未来方向
成分优化窗口：碳含量0.06–0.08 wt.%为强度-韧性平衡区间；跨尺度设计：融合机器学习预测析出相演化（如PINNs求解多物理场耦合）。Fig. 12. Equilibrium phase diagram of the L-PBF maraging steel with carbon addition.
Fig. 13. Solidification simulation based on the Scheil-Gulliver model with and without solute trapping.
Fig. 14. DICTRA simulations of (Ti,Mo)C growth during the solidification of L-PBF.
Fig. 15. Schematic of microstructural evolution throughout the L-PBF process and subsequent aging treatment.
长三角G60激光联盟陈长军转载
来源：江苏激光联盟